周 軍，陳玉麟，王璿清，梁光川

（西南石油大學(xué) 石油與天然氣工程學(xué)院，四川 成都 610500）

氦氣作為特種且稀有的工業(yè)、電子氣體，廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體制造，是一種關(guān)系高科技產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要戰(zhàn)略稀缺資源。氦氣密度（0.1786 kg/m3）和沸點（-268.85 °C）都極低，化學(xué)性質(zhì)不活潑，是所有氣體中最難液化的。隨著科技的發(fā)展，氦氣在低溫超導(dǎo)、醫(yī)學(xué)成像、半導(dǎo)體、設(shè)備檢漏以及焊接等領(lǐng)域被廣泛使用。目前，全球氦氣資源主要集中在美國、卡塔爾、阿爾及利亞、俄羅斯和加拿大等國家。中國擁有一定量的氦氣資源，但氦含量（體積分數(shù)，下同）偏低，產(chǎn)量少，無法滿足需求，目前主要依賴進口。

空氣中的氦氣稀少，絕大部分氦氣來源于富氦天然氣藏中，一般認為天然氣藏中氦含量低于0.05%稱為貧氦氣藏，大于0.10%稱為富氦氣藏[1]。天然氣提氦始于20世紀20年代，當時美國為了處理Petrolia油田的含氦天然氣，在沃斯堡建造了第一個商業(yè)氦氣廠[2]。中國天然氣提氦工業(yè)起步較晚，20世紀70年代建成第一套天然氣提氦工業(yè)裝置，但氦氣產(chǎn)量僅 3 × 104m3/a[3]。隨著提氦技術(shù)的不斷發(fā)展，全球相關(guān)天然氣提氦項目陸續(xù)建成投產(chǎn)，氦氣產(chǎn)量持續(xù)增加，但目前尚未有關(guān)于全球氦氣資源分布、產(chǎn)量和市場規(guī)模等方面的系統(tǒng)分析，對于中國天然氣提氦和相關(guān)行業(yè)缺乏參考。本文基于廣泛文獻調(diào)研和數(shù)據(jù)整理分析，綜述國內(nèi)外氦氣資源分布、產(chǎn)量和市場現(xiàn)狀，以期為相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供借鑒。

1 氦氣資源分布

1.1 全球氦氣資源分布

全球氦氣資源分布極不均勻，美國作為氦資源豐富的國家，產(chǎn)量和消費量均居全球之首。美國地質(zhì)調(diào)查局（USGS）發(fā)布的調(diào)查報告數(shù)據(jù)顯示[4-5]，2006 年全球氦氣資源總量約為 519 × 108m3，其中，美國 206 × 108m3、卡塔爾 101 × 108m3、阿爾及利亞82 × 108m3、俄羅斯 68 × 108m3以及加拿大 20 × 108m3，該5國的資源總量約占全球總量的92%。此外，中國氦氣資源量約為 11 × 108m3，波蘭和澳大利亞也有一定的氦氣資源。USGS和美國內(nèi)政部土地管理局（BLM）正在進行全球氦氣資源評估，截至2021年BLM已對包括美國在內(nèi)的26個國家的22720個氣體樣本進行了分析，此為目前可用的最新評估。

美國氦氣資源主要分布于懷俄明州、猶他州、亞利桑那州、科羅拉多州、新墨西哥州、堪薩斯州、俄克拉何馬州和得克薩斯州，擁有包括Riley Rigde、Harley、Panhandle-Hugoton和Cliffside等含氦氣田，如表1所示。

表1 美國主要含氦天然氣田[6]Table 1 Major helium gas fields in the United States[6]

卡塔爾的氦氣資源主要來自北部氣田[7-9]，氦含量相對較低，僅為0.04%，為貧氦氣藏，因此其氦氣主要從氦富集程度較高的LNG尾氣中提取。阿爾及利亞的氦氣資源主要來自東部三疊盆地的哈西魯邁勒天然氣田[1]。俄羅斯氦氣資源潛力較大，但開發(fā)程度低，目前發(fā)現(xiàn)主要分布在西伯利亞的天然氣藏中，包括奧倫堡、科維克塔和恰揚達河等氣田[10]。據(jù)俄羅斯聯(lián)邦能源部測算，東西伯利亞和雅庫特地區(qū)可工業(yè)開采的氦氣資源量可占全球的三分之一[11]。

目前的勘探結(jié)果表明，全球富氦天然氣田主要分布于西伯利亞、北美中部、非洲北部和歐洲東部等區(qū)域。此外，在部分地區(qū)的地?zé)崴畾庵幸舶l(fā)現(xiàn)了氦氣資源[12]，如印度發(fā)現(xiàn)氦含量達1.37%的溫泉氣；中國汾渭盆地發(fā)現(xiàn)地?zé)崽锇樯烊粴獾暮ず吭?.80%～1.20%之間，平均為 0.94%[13-14]。

1.2 中國氦氣資源分布

中國氦氣資源匱乏，僅占全球的2%～3%，氦氣產(chǎn)量遠不能滿足需求，氦氣資源大部分依靠進口。統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，中國氦氣資源主要分布在東、西及中部盆地的多個油氣田，如渤海灣盆地的花501井氣田、塔里木盆地的解放渠油氣田和鄂爾多斯盆地的東勝氣田等，其氦氣含量均滿足工業(yè)開采要求。

20世紀60年代，中國在四川威遠進行了第一座生產(chǎn)氦氣的氣田開發(fā)，其探明的氦氣儲量約為 0.8 × 108m3[15]。20 世紀 80 年代，在東部郯廬斷裂帶附近的多個盆地發(fā)現(xiàn)了含氦氣田[16-17]。2000年以來在塔里木盆地多個油氣田的天然氣組分中發(fā)現(xiàn)了含量較高的氦氣[18]。2004年，在渭河盆地地?zé)峋樯鷼庵袡z測到高含量氦氣。2012年，在渭河盆地開展了水溶性氦氣資源評價，資源量可達14.78 × 108m3[19]。2017 年，在柴達木盆地發(fā)現(xiàn)了東坪氦工業(yè)氣田[20]。同年，陶小晚等[21]進行和田河氣田樣品采集分析，結(jié)果表明，該氣田為中國第一個特大型富氦氣田，可探明儲量約為 1.9591 × 108m3。2018年，陜西省在渭河盆地設(shè)立了中國第一個氦氣探礦權(quán)[22]。

據(jù)不完全統(tǒng)計，中國部分含氦盆地主要含氦油氣田及氦含量情況如表2所示。整體而言，四川盆地、塔里木盆地、渭河盆地及部分郯廬斷裂帶附近盆地是我國氦氣資源的主要分布區(qū)域，具有良好的資源潛力。

表2 中國部分盆地氦含量Table 2 Helium content in some basins of China

2 氦氣產(chǎn)量分析

2.1 全球氦氣產(chǎn)量分析

氦氣來源主要通過提氦裝置從富氦天然氣中提取，該技術(shù)始于20世紀20年代。1921年，美國在沃斯堡建造了全球第一個商業(yè)氦氣廠用于處理Petrolia油田的含氦天然氣[2]；1929年，美國在德克薩斯州阿馬里諾市的Cliffside油田建造了一座更大的天然氣提氦廠[30]。后來，天然氣提氦工業(yè)快速發(fā)展，其主要分布在俄羅斯、阿爾及利亞、加拿大、卡塔爾和美國等氦氣資源較多的國家[3]。

隨著提氦技術(shù)的發(fā)展，全球陸續(xù)有新裝置投入建設(shè)或計劃投產(chǎn)[31]。2003年卡塔爾建成氦氣產(chǎn)量為 2000 × 104m3/a的一期項目，2013 年建成氦氣產(chǎn)量為 3800 × 104m3/a的二期項目；2006 年阿爾及利亞建成氦氣產(chǎn)量為 1960 × 104m3/a的Skikda提氦裝置；2009年俄羅斯建成5套采用低溫工藝的天然氣提氦裝置，均在奧倫堡[32]；2010年澳大利亞建成氦氣產(chǎn)量為 430 × 104m3/a的氦氣生產(chǎn)裝置；2014年美國有22套天然氣提氦裝置，其中13套裝置直接從天然氣提取氦、19套裝置在運行[33]。

USGS的統(tǒng)計結(jié)果顯示，2020年全球氦氣產(chǎn)量約 14400 × 104m3，主要產(chǎn)氦國氦氣產(chǎn)量占比如圖1所示。近年來全球主要產(chǎn)氦國氦氣產(chǎn)量趨勢如圖2所示，美國產(chǎn)量呈下降趨勢，而卡塔爾產(chǎn)量明顯增加。與 2019 年全球氦氣產(chǎn)量（約 15900 × 104m3）相比，2020年有所下降，主要受美國氦氣產(chǎn)量下降的影響。據(jù)俄羅斯相關(guān)機構(gòu)預(yù)測，如果沒有新區(qū)塊開發(fā)，預(yù)計到2030年世界氦氣產(chǎn)量將下降到 13400 × 104m3，世界氦氣供應(yīng)缺口將達16600 × 104m3[34]。

圖1 2020年主要產(chǎn)氦國氦氣產(chǎn)量占比[4]Fig.1 Proportion of helium production by major helium producing helium producing countries in 2020[4]

圖2 主要產(chǎn)氦國氦氣產(chǎn)量趨勢[5]Fig.2 Helium production trends in major helium producing countries[5]

全球目前主要提氦項目情況如表3所示。其中卡塔爾三期氦氣提純項目產(chǎn)量約為 1200 × 104m3/a，已于2021年部分投產(chǎn)，此外，卡塔爾石油公司宣布將增加第四家氦工廠，到2028年氦氣產(chǎn)量或再增加3400 × 104m3/a。坦桑尼亞的氦氣生產(chǎn)商Helium One公司也在2018年進行了融資及鉆井勘探，預(yù)計產(chǎn)量約 2800 × 104m3/a，或?qū)⒂?2022 年前后投產(chǎn)。俄羅斯阿穆爾天然氣加工廠也已于2021年部分投產(chǎn)，計劃 2025 年全面投產(chǎn)后可生產(chǎn)氦氣約 6000 × 104m3/a。若進展順利，預(yù)計未來幾年全球氦氣產(chǎn)量增長將超10000 × 104m3/a，或可緩解氦氣供不應(yīng)求的局面，但短時間內(nèi)全球氦氣市場貨源緊張局勢或?qū)⒀永m(xù)。

表3 全球目前主要提氦項目Table 3 Major helium extraction projects at present in the world

2.2 中國氦氣產(chǎn)量分析

中國天然氣提氦工業(yè)起步較晚。20世紀70年代，成都天然氣化工總廠以四川盆地富氦的威遠氣田為氣源，建立了中國第一套天然氣提氦裝置[3]，但氦氣產(chǎn)量僅 3 × 104m3/a，1989 年又在原廠址建成了第二套提氦裝置，氦氣產(chǎn)量 4 × 104m3/a，目前兩套裝置均已關(guān)閉。隨著提氦技術(shù)的發(fā)展，1994年有學(xué)者發(fā)明了聚砜-硅橡膠中空纖維膜提氦法， 氦回收率63%～75%[37]。1995年膜分離+低溫分離聯(lián)合提氦法被提出，但由于存在技術(shù)問題未實現(xiàn)工業(yè)化[38]。2011年，西南油氣田蜀南氣礦與成都天然氣化工總廠共同投資約1.1億元在四川榮縣建立天然氣提氦裝置，可處理天然氣 40 × 104m3/d，氦回收率大于96.5%，生產(chǎn)出純度約80%的粗氦后再由氣瓶拖車運輸至成都天然氣化工總廠進行提純，可產(chǎn)純氦約 20 × 104m3/a，但由于氣源等因素影響難以達產(chǎn)[33]。

中國目前主要提氦項目統(tǒng)計如表4所示，總產(chǎn)量約 320.7 × 104m3/a。2013 年至 2020 年，中國氦氣產(chǎn)量及增長率如表5所示，雖然新增提氦項目產(chǎn)量相對較低，但隨著提氦技術(shù)的發(fā)展，特別是蒸發(fā)氣（BOG）低溫提氦裝置的順利投產(chǎn)，中國未來氦氣產(chǎn)量將維持增長趨勢[39]。

表4 中國目前主要提氦項目[39]Table 4 Major helium extraction projects at present in China[39]

表5 2013年至2020年中國氦氣產(chǎn)量及增長率[39]Table 5 Helium production and growth rate in China from 2013 to 2020[39]

3 氦氣市場分析

3.1 全球氦氣市場分析

隨著科技和經(jīng)濟的快速發(fā)展，全球氦氣消費量逐年增加，從2005年到2015年，全球氦氣消費量增長130%，特別是低溫超導(dǎo)和半導(dǎo)體等領(lǐng)域的需求出現(xiàn)較大增長，導(dǎo)致供需矛盾不斷擴大[40]。據(jù)USGS的數(shù)據(jù)統(tǒng)計[41]，2016年美國氦氣消費總量為5040 × 104m3，其主要領(lǐng)域歷年氦氣用氣量情況如圖3所示。

圖3 美國各應(yīng)用領(lǐng)域的氦氣用氣量[41]Fig.3 Helium consumption by application in the United States[41]

印度目前氦氣需求量約為 330 × 104m3/a，主要用于核磁共振和光纖業(yè)務(wù)。新加坡氦氣需求量約為 180 × 104m3/a，主要用于半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)；此外新加坡常作為液化空氣和普萊克斯等公司的氦氣配送中心，將氦氣等氣體供應(yīng)到鄰近的馬來西亞和印度尼西亞。泰國、印度尼西亞和越南等東盟成員國的氦需求較少，主要用于泄漏測試。韓國在2010年左右與日本的氦氣市場規(guī)模相當，到2017年超過日本，全年氦氣消費量達到 1210 × 104m3，比 2016 年增加了 100 × 104m3，主要應(yīng)用于半導(dǎo)體制造[10]。

2011 年全球氦氣市場需求約 17500 × 104m3，其中亞洲（27%）超越歐洲（21%）成為第二大市場[40]。2017 年，全球氦氣市場需求約 16800 × 104m3，其中亞洲需求約為 5208 × 104m3，接近需求最大的美國市場（5400 × 104m3）。2020 年，全球氦氣市場需求約為 22660 × 104m3，但氦氣供應(yīng)整體呈逐漸減少趨勢。據(jù)俄羅斯相關(guān)機構(gòu)報道[10]，亞太地區(qū)氦氣需求旺盛，每年增長為5%～6%，美國約55%的氦氣出口到亞洲，預(yù)計到2030年全球氦氣需求或?qū)⑦_到30000 × 104m3，其中歐洲市場和美國市場占比將繼續(xù)降低，亞太市場占比將繼續(xù)增長。

3.2 中國氦氣市場分析

近年來亞太地區(qū)國家尤其是中國的氦氣需求不斷增加，氦氣市場正處于快速發(fā)展階段。中國年均氦資源使用量占全球年產(chǎn)量的14%左右，主要用于核磁共振、制冷、磁懸浮列車、焊接、檢漏和科研等領(lǐng)域。2020年中國各領(lǐng)域氦氣用氣量占比如圖4所示。2013年至2020年中國氦氣需求量及增長率如圖5所示，其中2020年中國氦氣需求量為2500 × 104m3，同比增長 11.1%，整體呈上升趨勢。

圖4 中國各應(yīng)用領(lǐng)域氦氣用氣量占比[31]Fig.4 Proportion of helium consumption in different fields in China[31]

圖5 中國氦氣需求量及增長率[42]Fig.5 Helium demand and growth rate in China[42]

中國目前氦氣銷售區(qū)域主要在東北、華南、西北、華北、華中、西南和華東等地區(qū)，擁有包括遼寧、廣東和陜西等14個主要氦氣市場，2020年市場規(guī)?？傊颠_20.44億元，如表6所示。2015年至2020年中國與全球氦氣市場規(guī)模對比情況如圖6所示?？梢钥闯?，中國氦氣市場規(guī)模和全球氦氣市場規(guī)模呈同步增長趨勢，中國市場規(guī)模占比逐年增長。從經(jīng)濟發(fā)展趨勢來看，預(yù)計未來幾年，中國氦氣市場規(guī)模仍將保持增長態(tài)勢，至2026年市場規(guī)?；?qū)⑦_到42.36億元。

圖6 中國與全球氦氣市場規(guī)模對比[39]Fig.6 Comparison of helium market scale between China and the global[39]

表6 中國氦氣區(qū)域市場Table 6 Regional helium market in China

3.3 中國氦氣進出口情況分析

近年來中國氦氣需求量逐年遞增，大部分依靠進口，暫無出口。氦氣進口渠道主要以普萊克斯、空氣產(chǎn)品、林德和法國液化空氣等跨國公司為主，中國供應(yīng)商所占份額很少[43]。據(jù)USGS統(tǒng)計，全球主要產(chǎn)氦國出口量及出口地如表7所示。

表7 全球主要產(chǎn)氦國出口量[31]Table 7 Exports of major helium producing countries in the world[31]

近幾年中國氦氣進口量呈先增后降走勢。2015年至2020年中國氦氣進口量及增長率如圖7所示。2020年中國氦氣進口來源國占比如圖8所示?？梢钥闯觯袊膺M口主要來源國為卡塔爾、美國和澳大利亞，部分中間貿(mào)易商從其他國家也有少量進口，如俄羅斯、新加坡和烏克蘭等。

圖7 中國氦氣進口量及增長率[39]Fig.7 Helium imports and growth rate in China[39]

圖8 2020年中國氦氣進口來源國占比[39]Fig.8 Proportion of China’s helium import source countries in 2020[39]

4 結(jié)語與展望

氦氣作為一種重要的稀缺資源，對發(fā)展低溫超導(dǎo)與醫(yī)學(xué)成像等高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)起著重要的作用。本文從氦氣資源分布、產(chǎn)量和市場規(guī)模等方面綜述了全球氦氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀。分析認為：目前全球的氦氣資源主要集中在美國、卡塔爾、阿爾及利亞、俄羅斯和加拿大等少數(shù)國家，中國氦資源匱乏，僅占世界氦資源量的2%～3%，而年均氦資源使用量卻占全球年產(chǎn)量的14%左右，進口依賴度高；氦氣絕大部分存在于富氦天然氣藏中，其獲取途徑主要通過提氦裝置從富氦天然氣中提取，隨著提氦技術(shù)的發(fā)展，全球陸續(xù)有提氦項目投產(chǎn)或計劃投產(chǎn)；中國的提氦工業(yè)起步晚、產(chǎn)量低，但需求的增長促進了提氦技術(shù)的發(fā)展，近年來產(chǎn)量逐年增加。盡管如此，由于氦氣需求持續(xù)增長，致使全球氦氣供應(yīng)缺口依然很大。

未來隨著全球越來越多天然氣提氦項目的投產(chǎn)，或?qū)⒏淖兡壳昂夤┎粦?yīng)求的局面。中國氦氣資源少、產(chǎn)量低，應(yīng)加強富氦天然氣藏和地?zé)崴畾赓Y源的保護、勘探和開發(fā)，繼續(xù)推進高效提氦技術(shù)研發(fā)和BOG低溫提氦裝置的投產(chǎn)。